許明標(biāo),宋建建 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢430100)
王曉亮 (荊州嘉華科技有限公司,湖北荊州434000)
吳雪平,周福新,袁歡,黃敏 (中石化江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北潛江433121)
水平井全井段封固雙凝防漏水泥漿技術(shù)
許明標(biāo),宋建建 (長江大學(xué)石油工程學(xué)院,湖北武漢430100)
王曉亮 (荊州嘉華科技有限公司,湖北荊州434000)
吳雪平,周福新,袁歡,黃敏 (中石化江漢石油工程公司鉆井一公司,湖北潛江433121)
焦石壩地區(qū)是我國第一個非常規(guī)頁巖氣產(chǎn)能示范區(qū)。隨著勘探開發(fā)的不斷深入,鉆遇水平段漏失井不斷增多,且普遍存在承壓能力低,壓力窗口窄,易發(fā)生氣竄的現(xiàn)象,嚴(yán)重影響固井質(zhì)量。為提高易漏頁巖氣水平井固井質(zhì)量,研究開發(fā)了一套用于水平井全井段封固的雙凝防漏堵漏水泥漿,室內(nèi)對該固井水泥漿體系的性能進(jìn)行了評價(jià)研究。結(jié)果表明,該水泥漿不僅具有較高的水泥石強(qiáng)度,同時具有快速的靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展速度和較短的稠化轉(zhuǎn)化時間,表現(xiàn)出較強(qiáng)的防竄效果和良好的堵漏效果,這對于保證固井質(zhì)量以及后續(xù)完井作業(yè)具有重要的意義。該水泥漿技術(shù)目前已應(yīng)用于焦石壩水平井固井作業(yè)中,成功封固3口水平段漏失嚴(yán)重井,水泥漿全部成功返出地面,候凝48h測井檢測結(jié)果顯示,水平段固井質(zhì)量為全優(yōu)質(zhì)。
頁巖氣;低密度水泥漿;水平井固井;雙凝固井;防漏堵漏
頁巖氣大位移水平井固井水泥漿與一般的氣井固井水泥漿相比,要求更高,難度也更大。使用油基泥漿鉆井的頁巖氣漏失水平井,主要難點(diǎn)體現(xiàn)在以下幾個方面[1~3]:
1)長水平井固井。水泥漿應(yīng)具有良好的漿體穩(wěn)定性,以保證水平段套管內(nèi)水泥環(huán)薄厚均勻;另外水泥漿的自由液應(yīng)為零,以有效防止竄槽現(xiàn)象發(fā)生。
2)保證壓裂完井下水泥環(huán)的完整性。頁巖氣井分段壓裂技術(shù)會對水泥環(huán)的完整性造成很大的影響,水泥環(huán)完整性受到破壞將直接影響頁巖氣的采收,因此頁巖氣井固井不僅要求水泥環(huán)具有足夠高的強(qiáng)度,而且還要具備較好的抗沖擊能力和耐久性。
3)氣井的防竄性能要求。地層中氣體最為活躍,易竄流,直接影響氣層的采收率,不利于增產(chǎn)措施實(shí)施。水泥漿良好的防竄性正是保障頁巖氣井長期有效封固的關(guān)鍵。只有水平段頁巖氣層獲得了有效封固,良好的油氣采收率才能獲得。
4)地層承壓能力低,易發(fā)生漏失,固井水泥漿體系和密度難以保證固井質(zhì)量。
5)若水平段發(fā)生漏失,漏失返井段長,固井施工壓力較高,注替過程中容易發(fā)生漏失,造成水泥漿返高不足;替漿排量降低,影響頂替效率,造成固井質(zhì)量差;固井井漏嚴(yán)重時,井內(nèi)液柱壓力降低,不能達(dá)到壓穩(wěn)氣層的要求,導(dǎo)致發(fā)生氣竄。
6)使用油基泥漿鉆探的井固井質(zhì)量難以提高,要求固井水泥漿前面的前置液必須具備良好的潤濕反轉(zhuǎn)功能,將親油性的井壁反轉(zhuǎn)為親水性的井壁,以提高水泥漿膠結(jié)質(zhì)量;同時還要求其具有良好的穩(wěn)定性能和沖刷能力,最大限度地將清洗下來的油性泥餅沖洗出來。
7)鉆井施工中使用油基泥漿,施工過程中難以驅(qū)替,影響水泥漿頂替效率和膠結(jié)質(zhì)量。
為滿足易漏頁巖氣水平井固井技術(shù)要求,經(jīng)過室內(nèi)試驗(yàn)研究結(jié)合現(xiàn)場作業(yè)需要,構(gòu)建了一套性能優(yōu)良的防漏堵漏水泥漿體系。
2.1 水平井固井雙凝防漏水泥漿技術(shù)設(shè)計(jì)方法
焦石壩地區(qū)是我國第一個非常規(guī)頁巖氣產(chǎn)能示范區(qū)。部分易漏失層位的地層破裂壓力當(dāng)量密度僅為1.27~1.37g/cm3。地層裂縫發(fā)育,漏點(diǎn)多,漏失情況復(fù)雜,多次泥漿堵漏收效甚微。漏失井井況復(fù)雜,甚至存在100m以上的連續(xù)漏失層位,地層承壓能力極其薄弱,若只采用常規(guī)密度水泥漿固井,極易壓漏地層,造成水泥漿返出困難,固井質(zhì)量難以保證。頁巖氣井水平段需要進(jìn)行大型壓裂作業(yè),其固井質(zhì)量直接影響著后續(xù)增產(chǎn)措施的實(shí)施效果。為實(shí)現(xiàn)目的層位的有效封固,在設(shè)計(jì)水泥漿時提出了雙凝防漏水泥漿技術(shù),在水泥漿注替過程中,更多關(guān)注防漏而不在于堵漏。
具體設(shè)計(jì)方法如下:①雙密度設(shè)計(jì),領(lǐng)漿是低密度水泥漿,尾漿為常規(guī)密度水泥漿,確保平衡地層壓力的情況下,保證水平段固井質(zhì)量;②通過選擇合適的雙凝界面高度,精確控制環(huán)空水泥漿當(dāng)量密度,確保水泥漿壓穩(wěn)、防漏;③尾漿中加入一定量的膠乳和增強(qiáng)防竄劑,提高水泥漿防竄能力,增強(qiáng)水泥環(huán)抗壓強(qiáng)度;④為有效降低領(lǐng)漿水泥漿密度,提高領(lǐng)漿性能,室內(nèi)優(yōu)選了一種人造空心玻璃微珠作體系減輕劑,根據(jù)相應(yīng)水泥漿性能要求構(gòu)建了高強(qiáng)防漏低密度水泥漿體系;⑤領(lǐng)尾漿中同時加入適量混合堵漏纖維,提高水泥漿韌性的同時提高水泥漿防漏能力。
2.2 水泥漿配方
1#配方:“JH”G級水泥+80%淡水+12%增強(qiáng)增韌劑STR+40%減輕劑DWR+1.2%降濾失劑FLO-S+0.2%分散劑DISP+6%防竄增強(qiáng)劑MX+1%緩凝劑RET-M+0.1%消泡劑DESIL+0.2%增韌纖維FIB(密度為1.18g/cm3)(配方中百分?jǐn)?shù)為質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)。
2#配方:“JH”G級水泥+77%淡水+11%增強(qiáng)增韌劑STR+37%減輕劑DWR+1.2%降濾失劑FLO-S+0.2%分散劑DISP+6%防竄增強(qiáng)劑MX+1%緩凝劑RET-M+0.1%消泡劑DESIL+0.2%增韌纖維FIB(密度為1.20g/cm3)。
3#配方:“JH”G級水泥+63%淡水+10%增強(qiáng)增韌劑STR+28%減輕劑DWR+1.2%降濾失劑FLO-S+0.2%分散劑DISP+6%防竄增強(qiáng)劑MX+1%緩凝劑RET-M+0.1%消泡劑DESIL+0.2%增韌纖維FIB(密度為1.30g/cm3)。
4#配方:“JH”G級水泥+55%淡水+8%增強(qiáng)增韌劑STR+20%減輕劑DWR+1.1%降濾失劑FLO-S+0.2%分散劑DISP+6%防竄增強(qiáng)劑MX+1.1%緩凝劑RET-M+0.1%消泡劑DESIL+0.2%增韌纖維FIB(密度為1.40g/cm3)。
5#配方:“JH”G級水泥+27%淡水+1.6%降濾失劑FLO-S+0.2%分散劑DISP-S+0.1%緩凝劑RET-M+0.9%消泡劑DESIL+12%膠乳LATEX+6%防竄增強(qiáng)劑MX+1%膨脹劑BOND-1+0.2%增韌纖維FIB(密度為1.90g/cm3)。
6#對比例配方:“JH”G級水泥+44%淡水+1.6%降濾失劑FLO-S+0.2%分散劑DISP-S+0.1%緩凝劑RET-M+0.5%消泡劑DESIL(密度為1.90g/cm3)。
2.3 水泥漿性能評價(jià)
2.3.1 低密度水泥漿性能評價(jià)
1)溫度對低密度水泥漿性能的影響 該區(qū)塊破裂壓力低,地層破裂壓力對應(yīng)的當(dāng)量密度在1.27~1.37g/cm3范圍內(nèi)。室內(nèi)設(shè)計(jì)低密度領(lǐng)漿密度應(yīng)控制在1.20~1.40g/cm3范圍內(nèi),設(shè)計(jì)完成了1.18~1.40g/cm3密度水泥漿配方。室內(nèi)對低密度水泥漿的綜合性能進(jìn)行了測試,且對低密度水泥漿在30、40、70℃不同溫度下的失水量、稠化時間和抗壓強(qiáng)度進(jìn)行評價(jià),結(jié)果見表1。該體系低密度水泥漿具有3個方面特點(diǎn):①超低密度,低密度1.18g/cm3水泥漿依然具有較好的性能,遠(yuǎn)低于地層破裂壓力,應(yīng)用于后效顯示不明顯的漏失井位,能夠有效防漏;②高強(qiáng)度,隨著水泥漿密度的升高,水泥漿養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度呈現(xiàn)增長趨勢,即使是1.18g/cm3密度水泥漿,30℃養(yǎng)護(hù)48h養(yǎng)護(hù)強(qiáng)度僅較常規(guī)水泥漿密度低0.3MPa,水泥石表現(xiàn)出優(yōu)異的強(qiáng)度性能;③高穩(wěn)定性,低密度水泥漿由于選用密度較低的人工減輕劑,減輕劑易懸浮在漿體上部,通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)水泥漿黏度,使水泥漿保持了高度的穩(wěn)定性,70℃環(huán)境靜置2h水泥漿上下部的密度差最大不超過0.02g/cm3。
表1 低密度水泥漿性能
2)低密度水泥漿承壓能力 在漂珠水泥漿入井的過程中,隨著液柱壓力的增加,部分承壓能力較弱的漂珠會發(fā)生破碎,隨之,漂珠水泥漿的密度將出現(xiàn)增大的趨勢。針對易漏失地層固井,尤其是地層承壓能力低、壓力窗口窄,并伴隨有后效反應(yīng)的井口,精準(zhǔn)控制入井水泥漿的當(dāng)量密度是固井成功的關(guān)鍵[4]。為了研究低密度水泥漿進(jìn)入地層后實(shí)際密度,控制當(dāng)量密度,提高水泥漿的密度穩(wěn)定性,保證入井前后水泥漿密度穩(wěn)定,入井水泥漿密度能夠得到精確控制,確保壓穩(wěn)、防漏。實(shí)驗(yàn)室對1.18、1.20、1.30、1.40g/cm3配方低密度水泥漿承壓能力進(jìn)行評價(jià)。室內(nèi)配制完成水泥漿后,測定其密度。然后放入養(yǎng)護(hù)釜,在10、20、35、45MPa條件下養(yǎng)護(hù)10min,再測其密度。養(yǎng)護(hù)前后密度差即水泥漿承壓能力。差值越小,承壓能力越好。對不同水泥漿承壓能力測試結(jié)果見表2。
表2 低密度水泥漿承壓能力
隨著減輕劑質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增多,低密度水泥漿承壓能力變差。這是因?yàn)?減輕劑的主要成份是漂珠,漂珠是優(yōu)良的耐熱超低密度材料,常用作配制低密度水泥漿。壓力使空心漂珠內(nèi)部充滿水分和大顆粒漂珠產(chǎn)生擠壓破碎后造成密度增加。對于不同密度的水泥漿,隨著漂珠質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,水泥漿密度降低;在壓力增加時,水泥漿密度的變化幅度隨之增加。漂珠質(zhì)量分?jǐn)?shù)越小,壓力對水泥漿密度的影響越小。
2.3.2 尾漿水泥漿性能評價(jià)
1)尾漿水泥漿稠化時間 尾漿水泥漿主要封固斜井段和水平段。為保證固井質(zhì)量,需要水泥漿具有合理的稠化時間。對于雙凝水泥漿體系來說,要求尾漿稠化時間低于領(lǐng)漿稠化時間,以利于固井需要。室內(nèi)對尾漿水泥漿的稠化性能進(jìn)行了測試,見表3。結(jié)果表明,尾漿稠化時間比低密度領(lǐng)漿稠化時間短,滿足固井施工要求。
表3 尾漿水泥漿稠化時間
2)尾漿水泥漿力學(xué)性能評價(jià)
固井水泥環(huán)的完整性直接影響著其對地層和套管的封固效果。頁巖氣井多采用水平井進(jìn)行開發(fā),儲層地應(yīng)力高且復(fù)雜,套管居中度低引起水泥環(huán)不均勻,射孔和壓裂施工時水泥環(huán)受到的沖擊力和內(nèi)壓力大,這些因素易引起水泥環(huán)開裂破壞。被破壞后水泥環(huán)將失去層間封隔和保護(hù)套管的作用,將嚴(yán)重影響壓裂效果和產(chǎn)能。因此,這對水平段固井水泥環(huán)的力學(xué)性能提出了更高的要求,水泥環(huán)的力學(xué)性能將直接影響后期完井和增產(chǎn)措施的效果以及后續(xù)氣田產(chǎn)量。因此,要對開發(fā)井水平段進(jìn)行有效封固,要求水泥漿尾漿性能滿足一定要求。室內(nèi)考察了密度為1.90g/cm3水泥石在70℃養(yǎng)護(hù)24h的抗折、剪切、拉伸、抗沖擊等力學(xué)性能,如表4所示。試驗(yàn)結(jié)果表明,尾漿水泥石優(yōu)良的力學(xué)性能,能夠最大程度地滿足頁巖氣水平井固井對水泥石韌性方面的要求。
表4 尾漿水泥漿力學(xué)性能
2.3.3 水泥漿堵漏性能評價(jià)
表5 水泥漿堵漏性能
針對持續(xù)井漏的復(fù)雜井,一方面需要降低水泥漿密度,另一方面需在水泥漿中加入一定量的堵漏纖維材料提高水泥漿的堵漏效果。
纖維的質(zhì)量分?jǐn)?shù)直接影響纖維網(wǎng)的致密性[5]。從理論上說,單位面積上纖維的數(shù)量越多,形成的纖維網(wǎng)結(jié)構(gòu)就越致密,有效 “架橋”纖維數(shù)量增加,效果變好。但在實(shí)際操作中,纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)并不是越多越好,因?yàn)檫^多的纖維會嚴(yán)重影響水泥漿的流變性能,增大泵壓,甚至?xí)顾酀{失去泵送能力。實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過質(zhì)量分?jǐn)?shù)優(yōu)選,當(dāng)纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%時,雙凝水泥漿體系防漏堵漏能力及泵送性能能更好的滿足施工要求。室內(nèi)對纖維質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.2%、密度為1.18、1.20、1.30、1.40、1.90g/cm3的水泥漿進(jìn)行了填砂管試驗(yàn)研究,對不同密度水泥漿堵漏性能進(jìn)行評價(jià)。試驗(yàn)過程中,保證纖維長度與質(zhì)量分?jǐn)?shù)的一致性和可預(yù)測性,結(jié)果見表5。試驗(yàn)結(jié)果表明,低密度領(lǐng)漿和常規(guī)密度尾漿均能有效控制漏失,具有良好的堵漏效果。
2.3.4 水泥漿防竄性能評價(jià)
1)水泥漿靜凝膠強(qiáng)度的發(fā)展 水泥漿的凝膠強(qiáng)度發(fā)展速度是水泥漿防竄能力評價(jià)的重要指標(biāo)之一。相關(guān)研究結(jié)果表明,水泥漿候凝過程中靜膠凝強(qiáng)度不斷變大,水泥漿靜膠凝強(qiáng)度的測量對于防止固井過程中的氣竄及提高固井質(zhì)量非常關(guān)鍵。在水泥漿泵入井下后水泥漿就開始發(fā)展靜膠凝強(qiáng)度,靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展的過程,就是水泥漿從能傳遞液柱壓力的液態(tài)流體向具有可測量抗壓強(qiáng)度的固硬性材料轉(zhuǎn)變的過程,這一變化階段稱為過渡期。在過渡期水泥漿持續(xù)增加膠凝強(qiáng)度,這時水泥漿基體具有非牛頓流體的流變行為,并具備屈服值,也被稱為靜膠凝強(qiáng)度。
經(jīng)井場調(diào)研發(fā)現(xiàn),該作業(yè)區(qū)最高地層溫度為85℃,所以室內(nèi)采用超聲波水泥分析儀對1.90g/cm3尾漿在85℃時的凝膠強(qiáng)度發(fā)展情況進(jìn)行了測試,試驗(yàn)曲線見圖1,水泥漿在靜凝膠強(qiáng)度從100lb/100ft2發(fā)展至500lb/100ft2(48~240Pa)所用時間為15min,水泥漿凝膠強(qiáng)度發(fā)展迅速,表現(xiàn)出較強(qiáng)的防竄性能。這是因?yàn)楣叹^程中,水泥漿在環(huán)空頂替到位后,環(huán)空氣竄多發(fā)生在靜膠凝強(qiáng)度為48~240Pa的區(qū)間內(nèi),在該區(qū)間內(nèi),靜膠凝強(qiáng)度發(fā)展所用時間越短,氣竄發(fā)生的幾率就越小。
2)水泥漿稠化轉(zhuǎn)化時間 稠化過程中水泥漿由30Bc發(fā)展至100Bc所需時間稱之為稠化轉(zhuǎn)化時間。室內(nèi)模擬現(xiàn)場某井地層條件 (井底壓力35MPa,井底溫度65℃),對密度為1.18、1.20、1.30、1.40、1.90g/cm3的水泥漿的稠化性能進(jìn)行了測試,見表6。試驗(yàn)結(jié)果表明,水泥漿體系稠化轉(zhuǎn)化階段時間均能夠較好控制,最長轉(zhuǎn)化時間為23min,最短轉(zhuǎn)化時間13min,與對比例6#水泥漿比較都具有較短的稠化轉(zhuǎn)化時間。水泥漿稠化轉(zhuǎn)化時間越短,井下流體侵入環(huán)空的可能性就越低,防竄性能越好。
表6 不同密度水泥漿的稠化性能
表7 所用固井設(shè)備
以焦頁某井為例,該井完鉆井深3465.5m,水平段長806.5m。鉆進(jìn)過程中發(fā)生3次井漏,且主要發(fā)生在水平段。固井采用雙凝雙密度水泥漿體系,雙凝界面設(shè)計(jì)在2300m。固井水泥漿分為領(lǐng)漿和尾漿設(shè)計(jì),領(lǐng)漿作為先導(dǎo)漿主要用于平衡地層壓力,水泥漿設(shè)計(jì)為低密度水泥漿,具有一定防氣竄、堵漏功能,封固0~2300m(段長2300m),其密度為1.25g/cm3;尾漿主要用于封固水平段,水泥漿設(shè)計(jì)為常規(guī)密度水泥漿體系,有較強(qiáng)防氣竄功能并具有一定堵漏功能,封固2300m至井底 (段長1165.5m),密度為1.85g/cm3。
1)現(xiàn)場施工情況 焦頁某井固井施工作業(yè)總體上較為順利,現(xiàn)場施工過程流暢,碰壓明顯,井口敞開順利,固井設(shè)備如表7所示,各項(xiàng)施工參數(shù)均能按設(shè)計(jì)要求進(jìn)行。具體施工流程如下:①通水沖洗管線,水泥車進(jìn)行固井管線試壓25MPa,穩(wěn)壓3min;②水泥車使用固井前置液對套管進(jìn)行憋壓,水力封隔器坐封;繼續(xù)憋壓,打開分級箍循環(huán)孔,建立循環(huán);③注清洗液20.0m3,沖洗液20.0m3,壓力8MPa;④雙水泥車混配并泵送1.18~1.25g/cm3領(lǐng)漿61m3,1.85g/cm3尾漿30m3,壓力8MPa;⑤倒閘門,釋放套管膠塞;⑥水泥車替入密度1.00g/cm3壓塞液2.0m3,壓力5MPa;⑦雙車大排量替清水25.0m3,壓力5~12MPa;單車替清水7m3,壓力12~15MPa;⑧水泥車替清水1.6m3至碰壓,壓力15~18MPa;⑨穩(wěn)壓3min泄壓檢查浮箍、浮鞋的密封情況,記錄回流量;⑩關(guān)閉環(huán)空候凝48h后測聲幅。
2)固井質(zhì)量 頁巖氣水平井開發(fā),水平段固井質(zhì)量關(guān)系到后期壓裂增產(chǎn)措施能否順利進(jìn)行,直接影響到氣井產(chǎn)量及壽命,所以針對焦頁某井固井作業(yè)采取了多種方法確保固井質(zhì)量,通過努力也取得了良好的成果。候凝48h,固井質(zhì)量檢測顯示水平段固井質(zhì)量全優(yōu)質(zhì)。
水平井固井雙凝防漏水泥漿技術(shù)通過現(xiàn)場實(shí)踐取得了良好的施工效果,說明該技術(shù)能夠一定程度上滿足類似易漏頁巖氣井固井作業(yè)要求。通過對相應(yīng)技術(shù)措施分析可以得到以下幾點(diǎn)結(jié)論:
1)堵漏纖維與空心玻璃微珠、液硅組成的低密度水泥漿,能滿足易漏井的固井要求,且具有良好的防漏堵漏效果,能有效提高固井質(zhì)量。
2)采用雙凝雙密度水泥漿體系有效封固裸眼井段,常規(guī)密度水泥漿體系主要封固水平頁巖井段,能夠有效地防止水平井眼發(fā)生流體竄,固井過程兼顧防漏防竄。
3)雙凝雙密度水泥漿體系配方中膠乳、減輕劑、增強(qiáng)防竄劑及堵漏纖維的加入,能夠增加水泥漿防氣竄性能,提高水泥漿的穩(wěn)定性及膠凝強(qiáng)度,并有一定防漏失功能,是易漏頁巖氣水平井固井水泥漿體系的最優(yōu)選擇。
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[編輯] 帥群
TE254
A
1000-9752(2014)12-0131-06
2014-09-13
許明標(biāo)(1962-),男,1983年大學(xué)畢業(yè),博士,教授,現(xiàn)主要從事鉆井液、水泥漿及化學(xué)合成方面的研究工作。